熱電材料及應(yīng)用物理編者按

經(jīng)過上百年的發(fā)展, 人們清楚地認(rèn)識到熱電材料難以取得較高熱電優(yōu)值ZT值的原因在于材料的Seebeck 系數(shù)S、電阻率ρ和電子熱導(dǎo)率κe三個熱電參數(shù)間的強(qiáng)耦合關(guān)系, 即它們都與載流子濃度n密切相關(guān), 很難通過單獨(dú)操控某一參數(shù)提升ZT值. 目前, 熱電性能優(yōu)化策略大致包括兩個方面, 即電學(xué)性能的提升及熱學(xué)性質(zhì)的優(yōu)化. 1) 電學(xué)性質(zhì)方面, 通過能帶工程可實現(xiàn)Seebeck 系數(shù)S和電阻率ρ的解耦, 從而有效提升功率因子PF, 其中能帶收斂、態(tài)密度共振、能帶各向異性以及能帶嵌套是最為典型的能帶工程策略. 此外, 界面工程, 例如能量過濾效應(yīng)和調(diào)制摻雜也可顯著優(yōu)化電學(xué)性質(zhì). 2)熱學(xué)性質(zhì)方面, 通常采用降低聲子弛豫時間或聲子群速度的方法以實現(xiàn)唯一相對獨(dú)立的參數(shù)—晶格熱導(dǎo)率κl的最小化, 包括引入晶格缺陷(點(diǎn)缺陷、納米相、位錯、晶界等)及晶格軟化; 另外, 尋找具有本征低晶格熱導(dǎo)率的新型熱電材料也是一種可行方式, 可通過在具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)晶格非諧性、類液態(tài)行為或低聲速的材料中篩選出具有本征低晶格熱導(dǎo)率的化合物.

可以根據(jù)熱電材料的適用溫區(qū)范圍對熱電材料進(jìn)行分類. 1) 300—550 K 近室溫區(qū)熱電材料.目前達(dá)到商業(yè)化程度的近室溫區(qū)材料為Bi2Te3基熱電材料, 其中p 型Bi0.5Sb1.5Te3材料最高ZT值可達(dá)～1.8. 近年來, n 型Mg3(Sb, Bi)2熱電材料在300—700 K 具有優(yōu)異的熱電性能(ZT峰值可達(dá)～1.8). 2) 550—950 K 中溫區(qū)熱電材料. 包括PbQ(Q= S, Se, Te), SnTe, GeTe, PbTe-AgSbTe2(LAST)及GeTe-AgSbTe2(TAGS)等合金體系. 近年來, 研究人員相繼發(fā)現(xiàn)了更多高性能中溫區(qū)熱電材料, 如方鈷礦、黝銅礦、BiCuSeO、類液態(tài)材料等, 這些中溫區(qū)熱電材料往往都具有較高的熱電性能. 3) 950 K 以上的高溫?zé)犭姴牧? SiGe 合金自20 世紀(jì)50 年代末被發(fā)現(xiàn)以來, 便成為在高溫區(qū)工作發(fā)電的主要熱電材料, 目前最高ZT值在1173 K 下可達(dá)1.5. 此外, half-Heusler 合金展現(xiàn)出了卓越的高溫?zé)犭娦阅? 其p 型FeNbSb 基熱電材料在1200 K 時ZT值可達(dá)1.6. 目前不同溫區(qū)的熱電材料諸如Bi2Te3, Mg3Sb2, SnSe, PbTe, PbS, CoSb3, BiCuSeO, SnTe, GeTe, Cu2Se,half-Heusler 及SiGe 合金等, 不少熱電材料的ZT值均已超過1.5, 甚至超過2.0.

鑒于熱電材料領(lǐng)域關(guān)鍵物理科學(xué)問題研究的緊迫性, 受《物理學(xué)報》編輯部委托, 我們邀請了國內(nèi)部分活躍在該領(lǐng)域前沿的中青年專家撰稿, 較為全面、深入地探討了該領(lǐng)域最新研究成果以及基礎(chǔ)物理科學(xué)問題. 本次專題包括五個方面的內(nèi)容. 1) MAX 及其衍生MXene 相碳化物熱電性能調(diào)控. 主要綜述了近些年MAX 相及其衍生MXene 相材料在制備技術(shù)和熱電性能的發(fā)展現(xiàn)狀, 并針對MXene 相材料的特性提出了一些改善熱電性能的可行性方案, 展望了MAX 相以及MXene材料在未來的發(fā)展方向和前景. 2) 通過Cu 插層協(xié)同優(yōu)化SnSe2層內(nèi)和層外的熱電性能. 基于SnSe2材料特殊的層狀結(jié)構(gòu), 引入額外的Cu 可穩(wěn)定存在于范德瓦耳斯間隙, 被包圍在由層間Se 所形成的四面體中心位置, 協(xié)同優(yōu)化了兩個方向的載流子濃度和 載流子遷移率, 從而證實了SnSe2作為層狀熱電材料的發(fā)展?jié)摿? 3) 高性能Bi2Te3基熱電薄膜的可控生長. 利用磁控濺射法制備了一系列n 型Bi2Te3基薄膜, 研究襯底溫度和工作壓強(qiáng)對薄膜生長模式的影響規(guī)律, 通過濺射參數(shù)精確調(diào)控薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)和生長取向, 制備出層狀生長的高質(zhì)量致密薄膜, 克服了n 型Bi2Te3基薄膜材料難以匹配p 型Bi2Te3基薄膜材料的困難. 4) 二維共價鍵子結(jié)構(gòu)Zintl 相熱電材料. 主要綜述了性能突出的CaAl2Si2結(jié)構(gòu)1-2-2 型、原胞內(nèi)原子較多本征低熱導(dǎo)率的9–4+x–9 型、具有天然空位而本征熱導(dǎo)率極低的2-1-2 型、以及電性能相對較好的ZrBeSi 結(jié)構(gòu)1-1-1 型Zintl 相的研究進(jìn)展.5) 黃銅礦CuGaTe2熱電性能優(yōu)化. Ni 原子可有效替代CuGaTe2材料中Cu 的位置, 并引起載流子濃度下降和遷移率提升, 摻雜后費(fèi)米能級附近態(tài)密度的提升是Seebeck 系數(shù)顯著增強(qiáng)的主因, 最終ZT值在873 K 可達(dá)1.26, 因此證實磁性元素?fù)诫s是提升熱電性能的有效手段. 以上五個方面的熱電材料研究, 從不同材料、不同視角探討了熱電材料的最新進(jìn)展、問題、現(xiàn)狀以及展望. 希望本專題能為國內(nèi)熱電材料及應(yīng)用物理領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流做一些貢獻(xiàn), 進(jìn)一步促進(jìn)該研究領(lǐng)域的發(fā)展.